Гомогенізатори – Принцип роботи, використання та масштабування
Гомогенізатори — це тип змішувачів, які застосовують механічні сили для змішування, емульгування, диспергування та розчинення систем рідина-рідина та тверда рідина. Залежно від моделі гомогенізатора обертальний зсув, сопла або ультразвук високої потужності використовуються для створення необхідних зусиль для розпаду і розщеплення твердих частинок, а також крапель рідини. Дізнайтеся більше про пристрої гомогенізатора та їх застосування в дослідженнях і виробництві!
Що таке гомогенізатор?
Гомогенізатор - це клас змішувальних пристроїв, який призначений для розщеплення частинок, як твердих, так і рідких, в однорідну суміш. Гомогенізатори випускаються у вигляді лабораторного, настільного та промислового обладнання, яке використовується для різних застосувань у дослідженнях та промисловості. Типове застосування гомогенізатора включає змішування та розпад різних матеріалів, включаючи частинки, пігменти, хімікати, рослини, їжу, клітини, тканини тощо.
Будь ласка, зв'яжіться з нами, щоб дізнатися більше про гомогенізатори, ультразвук і як ви можете використовувати наші ультразвукові апарати для свого процесу!
MultiSonoReactor MSR-4 - це промисловий вбудований гомогенізатор з ультразвуковими пристроями потужністю 16 000 Вт для вимогливих застосувань, таких як нанодисперсії та наноемульсії.
Огляд різних типів гомогенізаторів
У продажу є різні типи гомогенізаторів для використання в настільному та промисловому великомасштабному виробництві. Однак найбільш широко використовуваними моделями є роторно-статорні (колоїдні) змішувачі, гомогенізатори високого тиску та ультразвукові гомогенізатори.
Крильчаті або лопатеві міксери мають обертову лопать, яка обертається з великою швидкістю на дні змішувальної ємності, тим самим об'єднуючи різні матеріали в однорідну суміш.
Як вже випливає з назви ротора/статора змішувача, ротор/статорний змішувач має ротор і компонент статора. Ротор являє собою металевий вал, який обертається з високою швидкістю всередині статора. Статор - це металева частина, яка залишається нерухомою. Обертання ротора створює ефект всмоктування, який переміщує твердо-рідкий матеріал між статором і ротором, де тверді речовини зменшуються до меншого розміру частинок.
Принцип роботи гомогенізатора високого тиску (HPH) заснований на використанні насоса високого тиску і клапана (сопла, отвору), що робить обладнання великим, важким і дорогим. Оброблена суспензія проштовхується з високою швидкістю потоку через невеликий отвір, що зменшує розмір частинок, оскільки частинки вимагають певного малого розміру для проходження через клапан. Особливо при обробці твердих речовин, HPH схильні до засмічення.
Ультразвукові гомогенізатори використовують високі зсувні сили, що виникають при акустичній кавітації, що дає їм різні переваги перед іншими методами гомогенізації. Принцип роботи і переваги ультразвукової гомогенізації представлені нижче.
Ультразвук високої потужності як гомогенізуюча сила
Ультразвуковий гомогенізатор використовує високоінтенсивні ультразвукові коливання та кавітацію для створення дуже інтенсивних сил зсуву, і тому його можна назвати надінтенсивним змішувачем із високим зсувом. Секрет надінтенсивних сил високого зсуву полягає в акустичній кавітації, яка генерується потужними ультразвуковими хвилями. Ультразвуковий гомогенізатор має генератор, який є блоком живлення і управління, і перетворювач. Перетворювач містить п'єзоелектричну кераміку. Ця п'єзоелектрична кераміка перетворює електричну енергію в коливання, так як п'єзоелектричні кристали змінюють свій розмір і форму при подачі напруги. Коли частота електронного генератора дорівнює власній частоті п'єзоелектричного кварцу, виникає резонанс. В умовах резонансу кварц виробляє поздовжні ультразвукові хвилі великої амплітуди.
Потім генеровані ультразвукові хвилі з'єднуються за допомогою ультразвукового зонда (сонотроду / ріжка) з технологічним середовищем. Амплітуда на ультразвуковому зонді визначає інтенсивність ультразвукових хвиль, які передаються в рідину або суспензію. Ультразвукові хвилі генерують чергування циклів високого та низького тиску в рідких середовищах. Під час циклу низького тиску ультразвукові хвилі високої інтенсивності створюють невеликі вакуумні бульбашки в рідині. Під час циклу високого тиску дрібні бульбашки вакууму руйнуються руйнівним чином. Це явище називається кавітацією. Імплозія кавітаційних бульбашок також може утворювати струмені рідини з високою швидкістю до 280 м/с, що призводить до потужних сил зсуву. Зсувні сили розбивають частинки, викликають зіткнення між частинками і механічно руйнують краплі та клітини, сприяючи в той же час високоефективному перенесенню маси. Ці кавітаційні сили утворюють однорідні та однорідні дисперсії, емульсії та суспензії, а також, як відомо, сприяють хімічним реакціям (так звана сонохімія).
Акустична кавітація (породжується ультразвуком високої потужності) створює локально екстремальні умови, так звані сономеханічні та сонохімічні ефекти. Завдяки цим ефектам ультразвук зменшує тверді та рідкі частинки та змішує їх у однорідну формулу.
Ультразвукова кавітація на каскатродному зонді ультразвуковий апарат UIP1000HDT (1000 Вт, 20кГц) в скляному реакторі. Червоне світло знизу використовується для поліпшення видимості кавітації.
Ультразвукові гомогенізатори – Переваги
Ультразвукові гомогенізатори мають перевагу, коли мова йде про виробництво твердо-рідких (так званих суспензій) і рідинно-рідких суспензій і розчинів. Оскільки ультразвукові апарати використовують принцип роботи ультразвукової кавітації, матеріал повинен бути вологим або у вологій фазі, оскільки кавітація відбувається тільки в рідині. Це означає, що ультразвуковий засіб не буде дуже ефективним для змішування сухого порошку, але як тільки порошок змочується, ультразвук стає найефективнішим методом змішування. Добре відомо, що ультразвукові гомогенізатори надійно змішують, змішують і диспергують навіть пасти і високов'язкі матеріали. Надзвичайно інтенсивні сили, викликані вибухом кавітаційних бульбашок, створюють не тільки дуже потужні сили високого зсуву, але й локально обмежені високі температури та тиск, а також відповідні диференціали. Ця комбінація фізичних сил руйнує частинки до набагато менших розмірів, ніж звичайний гомогенізатор. Тому ультразвукові гомогенізатори є кращим обладнанням для надійного виробництва нанорозмірних емульсій і дисперсій.
- Відмінна ефективність
- здатний видавати високосфокусовану енергію
- Чудові результати в мікронах і нано
- для мікронних і нанорозмірних емульсій і дисперсій
- будь-який об'єм від мл до тонн/год
- Пакетні та вбудовані
- для однопрохідних і рециркуляційних
- Точне управління процесом
- Просте управління
- легке очищення,
- низькі експлуатаційні витрати
Застосування ультразвукових гомогенізаторів
Ультразвукові гомогенізатори широко використовуються в лабораторіях і промислових установках для гомогенізації суспензій тверда рідина і рідина-рідина, зменшення розміру частинок, руйнування і вилучення біологічного матеріалу, інтенсифікації хімічних реакцій і розчинення розчинних сполук.
Ультразвукова емульгування
Емульгування — це процес змішування двох або більше рідин, що не змішуються, разом з метою отримання стабільної або напівстабільної суміші. У загальному випадку ці дві рідини складаються з масляної фази і водної (водної) фази. Для стабілізації суміші різних рідких фаз додають емульгатор (поверхнево-активна речовина / ПАР). Розмір крапель емульсії відіграє вирішальну роль, коли йдеться про функціональність і стабільність емульсії. Оскільки силовий ультразвук створює сономеханічні сили, які розбивають краплі та зменшують їх до найдрібніших крапель, ультразвук є дуже популярним методом отримання мікронних та наноемульсій. Ультразвукові гомогенізатори є надійним інструментом для виробництва O/W і W/O емульсій, зворотних емульсій, подвійних емульсій (O/W/O, W/O/W), міні-емульсій, а також емульсій Пікерінга. Виходячи з цієї гнучкості та надійної емульгуючої здатності, ультразвукові гомогенізатори (іноді їх також називають ультразвуковими емульгаторами, коли використовуються для емульгування) використовуються, наприклад, у хімічній, харчовій, фармацевтичній та паливній промисловості для виробництва довгострокових стабільних емульсій.
Натисніть на наступні посилання, щоб дізнатися більше про нано-емульсії і Емульсії Пікерінга!
Ультразвукова дисперсія
Ультразвукові гомогенізатори дуже ефективні, коли агломерати частинок, агрегати і навіть первинні частинки повинні бути надійно зменшені в розмірах. Перевагою ультразвукових гомогенізаторів є їх здатність подрібнювати частинки до менших і більш однорідних розмірів частинок, незалежно від того, чи націлені мікронні або наночастинки в результаті процесу. Кавітаційні зсувні сили і потоки рідини розганяють частинки так, що вони стикаються один з одним. Це відомо як зіткнення між частинками. Самі частинки виступають в якості фрезерного середовища, що дозволяє уникнути забруднення шляхом подрібнення кульок і подальшого процесу сепарації, який необхідний, коли використовуються звичайні бісерні фрези. Оскільки частинки стикаються в результаті зіткнення між частинками на дуже високих швидкостях до 280 м/сек, на частинки діють надзвичайно великі сили, які тому розпадаються на дрібні фракції. Тертя та ерозія надають цим фрагментам частинок поліровану поверхню та форму однорідної форми. Комбінація зсувних сил і зіткнення між частинками надає ультразвуковій гомогенізації та дисперсії вигідну перевагу, забезпечуючи високооднорідні колоїдні суспензії та дисперсії!
На малюнку нижче показані кавітаційні сили ультразвуку на графітових пластівцях.
Високошвидкісна послідовність (від a до f) кадрів, що ілюструють сономеханічне відлущування графітових пластівців у воді за допомогою UP200S, ультразвуковий пристрій потужністю 200 Вт з сонотродом 3 мм. Стрілками показано місце розщеплення (відлущування) з кавітаційними бульбашками, що проникають в розщепів.
© Тюрніна та ін., 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Диспергування та гомогенізація наноматеріалів
Як для емульсій, так і для дисперсій приготування нанорозмірних сумішей є складним завданням. Більшість традиційних методів гомогенізації та змішування, таких як лопатеві міксери, грануломішки, гомогенізатори високого тиску та інші міксери, здатні виробляти частинки мікронного розміру, але вони не можуть надійно розщеплювати краплі та тверді речовини до нанорозміру. В основному це пов'язано з недостатньою інтенсивністю. Наприклад, лопатеві міксери не забезпечують достатнього зсуву для розбиття частинок до нанорозміру. Бісерні млини, ще один тип гомогенізатора, не можуть рівномірно подрібнювати тверді речовини до більш дрібного розміру частинок, ніж самі кульки (шліфувальні середовища). Звичайні шліфувальні кульки мають середній розмір в межах 1 500 мм – 35 000 мм. Ще однією проблемою є забруднення внаслідок зносу фрезерного середовища. Оскільки ультразвукові апарати забезпечують надзвичайно високі, але точно контрольовані сили зсуву, ультразвукова кавітація є кращим методом для надійного виробництва нанодисперсії та наноемульсій у лабораторії (R&Г), пілотні та промислові установки.
Ультразвукові дисперсії показують рівномірний розподіл частинок за розміром з однорідно відновленими частинками. Криві показують розподіл частинок кремнезему до ультразвуку (зелена крива) і після ультразвукової дисперсії (червона крива).
Масштабування ультразвукових гомогенізуючих процесів
При масштабуванні від лабораторного ультразвукового гомогенізатора до пілотного ультразвукового апарату, а також від пілотної системи до повномасштабного виробничого ультразвукового гомогенізатора, масштабування може бути застосовано повністю лінійно! Всі важливі параметри процесу, такі як амплітуда, тиск, температура і час обробки, залишаються постійними, тільки площа поверхні ультразвукового зонда і ультразвукового апарату як енергетичного мішалки зонда масштабуються до більших, більш потужних одиниць. Лінійна масштабованість процесів ультразвукової гомогенізації дозволяє отримувати на великому виробництві такі ж високоякісні результати, як в лабораторних і дослідних умовах.
Знайдіть найбільш підходящий ультразвуковий гомогенізатор для вашого процесу!
Hielscher Ultrasonics - ваш давній досвідчений партнер для ультразвукових гомогенізаторів. Всі ультразвукові апарати Hielscher розроблені, виготовлені та протестовані в нашій штаб-квартирі в Німеччині, перш ніж ми відправляємо їх нашим клієнтам по всьому світу. Ультразвукові гомогенізатори Hielscher – це високоякісні пристрої, які відрізняються незмінною високою продуктивністю, надійністю, міцністю та зручністю для використання. Технічна складність технології ультразвукової гомогенізації дає користувачам обладнання Hielscher конкурентні переваги, що робить їх лідерами на ринку в своїй галузі. Завдяки широкому асортименту продукції від лабораторних і настільних гомогенізаторів, пілотних систем і повністю промислових ультразвукових гомогенізаторів для комерційних виробництв, Hielscher має ідеальну ультразвукову систему змішування для ваших вимог. Аксесуари для колектора дозволяють ідеально налаштувати ультразвуковий гомогенізатор – відповідність індивідуальним потребам.
Розкажіть нам про свої вимоги та специфікації процесу – Ми з радістю порекомендуємо Вам найбільш підходящий і ефективний ультразвуковий гомогенізатор для Вашого застосування!
Висока ефективність з використанням ультразвукових гомогенізаторів
Завдяки надзвичайній ефективності процесу, розумним інвестиційним витратам, дуже високій енергоефективності та низьким витратам на оплату праці та обслуговування, ультразвукові гомогенізатори Hielscher перевершують звичайні методи гомогенізації та досягають швидкого ROI (повернення інвестицій). Найчастіше ультразвуковий гомогенізатор амортизується протягом декількох місяців.
Ультразвук високої потужності для промислової гомогенізації
Амплітуда є найважливішим параметром процесу в процесах гомогенізації, керованих ультразвуком. Всі ультразвукові апарати Hielscher дозволяють точно контролювати амплітуду. Залежно від мети процесу, для більш м'яких умов обробки може бути встановлена менша амплітуда або вибрана висока амплітуда для більш руйнівних результатів дисперсії. Промислові звукові апарати Hielscher можуть видавати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно працювати в режимі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди.
Низькі вимоги до обслуговування ультразвукових гомогенізаторів
Ультразвукові гомогенізатори не тільки легко чистяться, оскільки сонотрод і реактор є єдиними компонентами, які є вологими деталями і контактують з оброблюваним матеріалом. Сонотрод (також відомий як ультразвуковий ріг або зонд) і реактор виготовляються з титану і нержавіючої сталі відповідно і мають чисту геометрію без отворів і мертвих кутів.
Єдиною деталлю, яка схильна до зносу, є ультразвуковий зонд, який можна замінити без істотного порушення роботи. Сонотрод лабораторного ультразвукового апарату змінюється приблизно за 10 хв, тоді як заміна сонотроду промислового ультразвукового гомогенізатора може зайняти приблизно 30-45 хв.
Зв'яжіться з нами зараз! Наша досвідчена команда з радістю надасть технічну інформацію та рекомендації, пов'язані з процесами!
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:
| Об'єм партії | Витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| Від 1 до 500 мл | Від 10 до 200 мл/хв | UP100H |
| Від 10 до 2000 мл | Від 20 до 400 мл/хв | UP200Ht, UP400St |
| 0від 1 до 20 л | 0від .2 до 4 л/хв | UIP2000HDT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л/хв | UIP4000HDT |
| 0від 3 до 60 л | 0від .6 до 12 л/хв | UIP6000HDT |
| Н.А. | Від 10 до 100 л/хв | UIP16000 |
| Н.А. | Більше | кластер UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для змішування, диспергування, емульгування та екстракції в лабораторних, пілотних та промислових масштабах.
Часті питання про гомогенізатори
- Який принцип роботи гомогенізатора? Гомогенізатор прикладає сили зсуву до рідин, суспензій і суспензій. Зсув зменшує розмір частинок твердо-рідких і рідинно-рідких сумішей і створює рівномірний розподіл частинок за розмірами. Гомогенізатори можуть утворювати стабільні емульсії або дисперсії.
- У чому полягає принцип процесу гомогенізації? Основний принцип гомогенізації передбачає застосування механічної сили, такої як ультразвукова вібрація та кавітація, до неоднорідної суміші для розщеплення частинок до рівномірно дрібного розміру, досягаючи однорідної та стабільної суміші, яка запобігає розділенню з часом.
- Яка основна мета гомогенізації? Основною метою гомогенізації є покращення стабільності та консистенції продукту шляхом зменшення розміру частинок. Цей процес покращує фізичні властивості суміші, такі як в'язкість, текстура та термін придатності, що робить її важливою для харчової промисловості, фармацевтики та косметики.
Дізнайтеся більше про ультразвукові харчові гомогенізатори! - Що таке ультразвукова гомогенізація? Ультразвукова гомогенізація використовує високочастотні звукові хвилі для індукції кавітації в рідкому середовищі, що призводить до інтенсивних сил зсуву, які розщеплюють частинки на мікроскопічному рівні. Цей метод особливо ефективний при клітинному руйнуванні, диспергуванні наночастинок та емульгуванні.
- Що таке ультразвукове дослідження для гомогенізації? Ультразвукова обробка для гомогенізації передбачає застосування ультразвукової енергії до зразків для досягнення тонкого, рівномірного перемішування. Цей процес ефективний для диспергування, емульгування та зменшення розміру частинок у рідині, широко використовується як у науковому, так і в промисловому контексті.
- Які є 2 види методів ультразвуку? Два основних види ультразвукових методів – це пряме і непряме ультразвукове дослідження. Пряме ультразвукове дослідження передбачає занурення зонда безпосередньо в зразок, тоді як непряме ультразвукування відбувається у ванні, де зразки поміщаються в контейнер, занурений у рідину, сприятливу для ультразвуку. Пряма ультразвукова діагностика, як правило, більш інтенсивна і більш ефективна для гомогенізації, ніж непряма ультразвукова хвороба.
Література / Список літератури
- Karl A. Kusters, Sotiris E. Pratsinis, Steven G. Thoma, Douglas M. Smith (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology, Volume 80, Issue 3, 1994. 253-263.
- Ahmed Taha, Eman Ahmed, Amr Ismaiel, Muthupandian Ashokkumar, Xiaoyun Xu, Siyi Pan, Hao Hu (2020): Ultrasonic emulsification: An overview on the preparation of different emulsifiers-stabilized emulsions. Trends in Food Science & Technology Vol. 105, 2020. 363-377.
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.